Bioteollisuuden yksikköoperaatiot: Jälkikäsittely

Transkriptio

1 Bioteollisuuden yksikköoperaatiot: Jälkikäsittely

2 Jälkikäsittelyn päävaiheet Solujen erotus tai niiden talteenotto kasvatusliuoksesta Talteen otettujen solujen hajotus (jos solunsisäinen tuote) Kiintoaineen erotus (jos solunsisäinen tuote; tuote liuoksessa) Tuotteen talteenotto Kromatografia (adsorptio tai affiniteetti) Saostus tai kiteytys Kalvosuodatus tai haihdutus Uutto Tuotteen puhdistus Kromatografia Kiteytys Kuivaus Tuotteen formulointi

3 Fermentoinnin tuoteliuokset laimeita (paljon vettä) Biologiset tuotteet labileeja (lämpö, ph, kemikaalit) Tuoteliuos herkkä kontaminaatioille (nopeus ja GMP) Figure Copyright , Typical Elsevier unit Inc. operations All rights used in the manufacture Reserved. of enzymes.

4 Figure 11.2 Generalised downstream processing schemes for cells as product, products located inside the cells, and products located outside the cells in the fermentation liquor. Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.

5 Figure 11.3 Relationship between selling price and concentration before downstream recovery for several products Copyright of bioprocessing. 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.

6 Sentrifugointi Solujen ja muun kiinto-aineen erotukseen liuoksesta Levyseparaattori Sopii solujen erotukseen Putkiseparaattori Jopa g

7 Levy- ja putkiseparaattoreita jatkuvatoimiseen solujen erotukseen

8 Sentrifugointi Dekantterisentrifugi Korkea kiintoainepitoisuus Ei sovellu solujen erotukseen Rumpuseparaattori Mm. kiteiden erotukseen

9 Jatkuvatoiminen laboratoriosentrifugi

10 Solujen hajotus Mekaaniset ja ei-mekaaniset menetelmät Mekaaniset Korkeapainehomogenisaattori (kuvassa) Jauhaminen Silppuri Ultraääni (lähinnä laboratorio)

11

12 Bioprocessing Part 2: Separation / Recovery (tuotteen (tässä GFP) talteenotto, jatkuvatoiminen sentrifugointi, solujen hajotus, 11 min)

13 Suodatus Ensimmäinen operaatio on kiintoaineen erotus nesteestä (kun lopputuote ei ole solunsisäinen) Kiintoaineen eli solujen, solurippeiden tai saostuneiden komponenttien erotus kasvuliuoksesta tapahtuu yleensä joko suodattamalla tai sentrifugoimalla Suodatus perustuu nesteitä läpäisevien väliaineiden käyttöön Väliaineet pidättävät kiinteät partikkelit niiden koon perusteella

14 Suodatus Dead-end suodatus sterilointi kiinto-aineiden poisto (muokattuna myös solujen erotus, ks. seuraava kalvo) Tangentiaalivirtaus- tai kalvosuodatus solujen erotus konsentrointi

15 Figure Operating schemes for: (a) cross-flow membrane filtration and (b) conventional Copyright dead-end 2012, filtration. Elsevier Inc. All rights Reserved.

16 Kalvosuodatusmenetelmiä ja niiden sovelluksia bioprosesseissa

17 Figure Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.

18 Figure Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.

19 Figure Common configurations of membrane filtration modules: (a) flat sheet membrane filtration in a plate-and-frame filter module; (b) internal structure of a spiral-wound membrane filter module; and (c) hollow fibre membrane filter module. Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.

20

21

22

23

24

25 Käänteisosmoosi veden puhdistuksessa: 25

26 Figure Membrane filtration used for concentration of particles or macromolecules Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved. in the retentate.

27 Figure Membrane filtration used for fractionation of low-molecular weight solutes in the permeate. Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.

28 Figure Membrane filtration used for diafiltration to replace the suspending solvent Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved. with new solvent or buffer.

29 Figure Modes of operation for membrane filtration processes: (a) single-pass; (b) batch; (c) fed-batch; (d) continuous; (e) multistage. Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.

30 Perinteiset (dead-end) suodattimet Käsiteltävä liuos virtaa suoraan suodatinpintaa kohden Kiinteät partikkelit törmäävät suodatinmateriaaliin ja muodostavat sen päälle kiinteän suodoskakun Suodatinmateriaalina voi olla esim. kangas, selluloosa, lasivilla ja synteettiset kuidut Bioprosesseissa vakuumirumpusuodatin, Laroxsuodatin ja suotopuristin

31 Suuren mitan soluerotus suodattimilla Painesuodatin (Larox) Vakuumirumpusuodatin

32 Rumpusuodatus Käytetään etenkin hiiva- ja homesolujen erotukseen (isoja soluja) Käytetään paljon suurenkin skaalan prosesseissa

33 Rumpusuodattimen rakenne Sisempänä pyörivä sylinterimäinen rumpu Rummun pinta on peitetty suodatinkankaalla Ulompana kouru, johon käsiteltävä liuos syötetään

34 Figure 11.5 Käsiteltävä liuos syötetään ulompaan sylinteriin n. 1/3 rummun pinnasta on nesteen peitossa Neste imeytyy alipaineen vaikutuksesta pyörivän rummun sisälle Liuoksessa oleva kiintoaine ei läpäise rummun ulkopinnalla olevaa suodatinkangasta, vaan muodostaa ohuen kakun sen päälle Rummun pyöriessä kiintoaines pestään ja kuivataan ennen sen irrottamista rummun pinnalta Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.

35 Larox on nykyään Flowrox 35

36 Kuivatun kiintoaineen irrottaminen Suodatuskakun irrottamiseen käytetään erilaisia menetelmiä riippuen kakun ominaisuuksista Veitsilasta / kaavin: hauraat ja kuivat materiaalit Nauha-irrotus: esim. tärkkelyssovellukset Hihna-irrotus: tuotteet, joilla taipumus tukkia Irtopinta / esipäällyste: tuotteet, joilla taipumus tukkia suodatinkangas

37 Hihna-irrotus (belt discharge) Jatkuvaa hihnairrotusta käytetään tuotteille, joilla on taipumusta tukkia suodatinaine Sarja rullia helpottaa kakun poistamista Nauha- tai hihnairrotus voi poistaa suodatusapuaineen tarpeen

38 Suodatusapuaineet (filter aids) Rumpusuodattimien kanssa käytetään usein suodatusapuaineita, kuten piimaata ja inaktiivista hiiltä Nopeuttavat suodattumista Estävät suodatuskakun kokoonpuristumista ja huokoisuuden alentumisesta aiheutuvaa suodattimen tukkeutumista

39 Suodatusapuaineet Piimaa Eniten käytetty suodatinapuaine Piimaa on lähtöisin suolaisissa ja makeissa vesissä esiintyvistä piilevistä Monimutkainen ja erittäin huokoinen rakenne Aktiivinen hiili Partikkelit huokoisia ja muodostavat tiheän kakun Huonompi suodatuskyky kuin piimaalla

40 Suodatusapuaineiden käyttö Suodatusapuaineita voidaan käyttää kahdella tavalla: 1) Esipäällystetään suodatinkangas suodatusapuainejauheella ennen kun suspensio pumpataan laitteeseen Irtopinta estää hienorakenteisten partikkelien takertumisen suodatinkankaaseen ja pitää siten suodatinkankaan pinnan huokoisena Helpottaa kakun poistoa suodatuskierroksen lopussa 2) Lisätään tietty määrä suodatusapuainetta suspensioon ennen suodattimeen syöttämistä Lisää lietteen huokoisuutta Vähentää suodatuskakun kokoonpuristumista

41 Figure 11.4 Use of filter aid in filtration of fermentation Copyright 2012, broth. Elsevier Inc. All rights Reserved.

42 Yksinkertainen Energiaa kuluttavaa Biologiset liuokset usein viskooseja ja lämpöherkkiä Haihdutus Tehtaissa haihduttimet usein monivaiheisia Kuvat: Luonnollisella kierrolla toimiva haihdutin (ylhäällä) Filmihaihdutin (alhaalla)

43 Haihdutus Levyhaihdutin Filmihaihdutin (Centri Therm-tyyppinen)

44 Kiteytys Konsentrointi ja puhdistus (esim. sokerit, aminohapot, antibiootit ja vitamiinit) Myös tapa tuotteen formulointiin Haihdutus- ja jäähdytyskiteytys Siemenkiteet Kuvassa jäähdytyskiteytin

45 Muita erotusmenetelmiä Kaksifaasiuutto (kuva) Adsorptio Saostus Kromatografia (kuva) Ioninvaihtokromatografia Hydrofobisuuteen perustuva kromatografia Affiniteettikromatografia Geelisuodatus HPLC analysointiin

46 Kuvissa teollisuusentsyymin jälkikäsittely (ylhäällä) ja kiteisen tuotteen jälkikäsittely (alhaalla)

47 Kaksivaiheinen PEG-uutto proteiinin puhdistuksessa polyetyleeniglykoli (PEG), joka on voimakas saostaja joka ei denaturoi herkästi proteiinia

48 Bioprocessing Part 3: Purification (tuotteen (GFP) jälkikäsittely, kromatografinen puhdistus, TFFsuodatus, 20 min)

49 Teolliset bulkkientsyymit ovat medium price medium volume tuotteita Tavallisesti puhtaus melko alhainen Speksien mukaan Ei haitallisia sivuaktiivisuuksia Stabiilisuus tärkeä JÄLKIKÄSITTELY-yhteenveto Tyypillinen prosessi: Fermentointi S/L-erotus (kiintoaine/neste) Tuotteen konsentrointi (ultrasuodatus) Tuotteen formulointi, standardointi ja stabilointi Vakuumirumpusuodatin 49

50 S/L-erotus: JÄLKIKÄSITTELY-yhteenveto Yksisoluiset organismit (keskipakoerotus tai suodatus tai flokkulointi ja suodatus) Filamenttiorganismit (dead-end suodatus (vakuumirumpusuodatus) Tuotteen konsentrointi: Ultrasuodatus Haihdutus Kuivaus Ultrasuodatus Plate&frame-tyyppiset kalvot ja tukilevyt Spiraalimodulit Filmihaihdutin 50

51 JÄLKIKÄSITTELY-yhteenveto Stabilointi- ja formulointioptiot: Kuivaus (spray-kuivaus, leijupetikuivaus) Steriilisuodatus/tuotanto-organismin poisto/tuho Stabilointiaineiden lisäys nestemäiseen tuotteeseen (esim. sorbitoli, parabeenit...) Spray-kuivaus Labramittakaavassa ja arvotuotteille ( katalogientsyymit ): tuotteen puhdistus Adsorptio/desorptio Suola- tai liuotinsaostus Nestekromatografia (geelisuodatus, ioninvaihto, hydrofobisten interaktioiden kromatografia, IMAC (immobilisoitujen metallien affiniteetti, affiniteettikromatografia) Kromatografinen puhdistus 51